生物质和塑料加氢脱氧制备燃料和化学品的双金属催化剂研究进展  

Recent progress on bimetallic catalysts for the production of fuels and chemicals from biomass and plastics by hydrodeoxygenation

作　　者：刘露杰[1] 刘奔 中川善直 刘斯宝 王亮[1] 藪下瑞帆 冨重圭一 Lujie Liu;Ben Liu;Yoshinao Nakagawa;Sibao Liu;Liang Wang;Mizuho Yabushita;Keiichi Tomishige(Key Laboratory of Biomass Chemical Engineering of Ministry of Education,College of Chemical and Biological Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310027,Zhejiang,China;Department of Applied Chemistry,School of Engineering,Tohoku University,6-6-07,Aoba,Aramaki,Aoba-ku,Sendai 980-8579,Japan;Engineering Research Center of Polymer Green Recycling of Ministry of Education,Fujian Key Laboratory of Pollution Control&Resource Reuse,College of Environmental and Resources,Fujian Normal University,Fuzhou 350007,Fujian,China;Advanced Institute for Materials Research(WPI-AIMR),Tohoku University,Katahira 2-1-1,Aoba-ku,Sendai,980-8577,Japan)

机构地区：[1]浙江大学化学工程与生物工程学院,生物质化工教育部重点实验室,浙江杭州310027 [2]日本东北大学(Tohoku University)工学部应用化学系,仙台,日本 [3]福建师范大学环境与资源学院,聚合物资源绿色循环利用教育部工程研究中心,福建省污染控制与资源循环利用重点实验室,福建福州350007 [4]日本东北大学(Tohoku University)材料科学高等研究所,仙台,日本 [5]复旦大学化学系,上海200433

出　　处：《Chinese Journal of Catalysis》2024年第7期1-31,共31页催化学报（英文）

基　　金：日本学术振兴会(23H05404,23K20034);国家自然科学基金(22202176,22208243,52276209);国家资助博士后研究人员计划(GZB20240650);中国博士后科学基金(2021M702802).

摘　　要：在全球致力于实现碳中和的大背景下,生物质和废弃塑料的高值化利用已成为科研领域的研究热点.加氢脱氧反应(HDO),作为实现这一目标的重要途径之一,通过精准解离C-O/C-C键,为生产燃料和化学品提供了有效方法.在HDO过程中,C-O键的氢解及不饱和键的氢化是主要步骤,而C-C键的氢解则是需要避免的副反应.与简单的氢化反应相比,HDO过程需要具有双功能特性的催化剂,特别是当目标产物为含氧化合物时,催化剂的区域选择性至关重要.近年来,双金属催化剂在生物质及其衍生物以及含氧塑料废弃物和聚合物的HDO过程中的应用受到广泛关注.通过深入理解金属纳米颗粒与金属氧化物之间的协同作用和强相互作用,双金属催化剂的理性设计取得了显著进展.特别是,部分金属氧化物(如ReO_(x),WO_(x),MoO_(x),FeO_(x))与贵金属(如Ir,Pt,Ru)之间存在的强相互作用,不仅促进了C-O键的断裂,还有效保留了C-C键,为催化剂的高活性和高选择性奠定了基础.通过调整催化剂组成、使用小比表面积的载体等方法,可以进一步优化催化剂性能.本综述聚焦于金属氧化物改性的贵金属催化剂在HDO反应中的最新研究进展,特别是总结了Ir、Pt和Ru基催化剂在HDO反应中的应用.由于这类催化剂的结构和性能能够精确控制,并且每种催化剂都具备独特的选择性,因此被广泛应用于生物质衍生物和塑料废弃物的HDO过程中.本文总结了双金属催化剂的结构特点、HDO反应机制、催化剂结构与催化性能之间的关联,以及这些催化剂在高附加值化学品生产中的实际应用.我们以甘油和1,2-丙二醇的氢解为模型反应,深入探讨了基于Ir、Pt和Ru的双金属催化剂的催化性能、结构特点和催化机理.这些催化剂在温和条件下实现了高效的氢脱氧反应,有效抑制了C-C键的断裂,并优化了化学选择性和区域选择性.双金属催化剂在生物�Valorization of biomass and plastics is an urgent assignment to achieve the goal of carbon neutrality.Hydrodeoxygenation using bimetallic catalysts with distinct active sites is one of the most effective approaches to producing fuels and chemicals via C-O/C-C bonds hydrogenolysis and hydrogenation.Rational design of bimetallic catalysts has been progressed in recent studies owing to the understanding of synergy and strong mutual interaction between metal nanoparticles and metal oxide species.Thus,activity of bimetallic catalysts has been further improved,and the chemoselectivity for suppression of C-C bond dissociation and the regioselectivity among different C-O bonds,which have less been achieved before,are realized in the hydrodeoxygenation reactions.The catalytic performances,catalyst structures,and reaction mechanisms are directly compared and discussed in details based on the C-O bond cleavage using glycerol and 1,2-propanediol hydrogenolysis as model reactions over Ir-,Pt-,and Ru-based bimetallic catalysts.Finally,application of these bimetallic catalysts to conversion of lignocellulose-derived feedstocks,carbonyl compounds,and typical plastic of polycarbonates is introduced.

关 键 词：加氢脱氧 氢解 双金属催化剂 生物质衍生物 塑料废弃物 

分 类 号：O643.36[理学—物理化学] TK6[理学—化学]